산소 환원 및 발생 반응용 결함이 유도된 케첸블랙 지지체를 이용한 코발트 철 합금 및 질소 도핑 탄소 전극촉매의 합성 및 평가

초록

금속-공기전지, 연료전지 등의 에너지 변환 및 저장장치는 에너지 수요의 증가 및 환경오염 문제의 심각성으로 인해 친환경 에너지 개발 패러다임으로 주목받고 있다. 이러한 에너지 변환 및 저장장치의 전극에서 일어나는 산소환원 및 발생 반응의 경우 4개의 전자가 반응에 관여하여 복잡한 메커니즘을 가질 뿐만 아니라 반응속도 또한 매우 느려 셀의 성능 및 상용화에 큰 영향을 미친다. 따라서 전지의 성능을 개선하기 위해서는 산소환원 및 발생 반응에 향상된 성능을 가지는 전극촉매에 대한 연구 및 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 먼저 케첸블랙을 과산화수소와 함께 수열합성을 진행하여 활성점 증대, 다공성 향상, 비표면적 증대와 같은 이점을 가지는 결함이 유도된 케첸블랙 지지체를 합성하였다. 그리고 결함이 유도된 케첸블랙, 코발트 전구체, 철 전구체, dicyandiamide를 함께 증류수에 넣고 120℃에서 교반하여 함침시키고, Ar 분위기에서 각각 550, 750oC 두 단계의 연속적인 열처리 과정을 진행하여 결함이 유도된 케첸블랙 지지체를 이용한 코발트 철 합금 및 질소 도핑 탄소 전극촉매를 합성하였다. Raman, XPS 분석을 통해 케첸블랙에 유도된 결함의 정도를 최적화 하였으며 XRD, EDS, XPS, TGA 등의 물성 분석을 진행하여 해당 촉매가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다. 마지막으로 LSV, Tafel, K-L plot 등의 전기화학적 분석을 진행하여 산소환원 및 발생 반응 모두에 우수한 활성을 가지는 전극촉매임을 확인하였다.